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1、安徽建筑工业学院毕业设计（论文）安徽建筑工业学院毕 业 设 计 (论 文)专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 06城建机械2班 学生姓名 龙五 学 号 06290070222 课 题 节流阀内部流场数值模拟分析 指导教师 黄 磊 2010 年 5 月 28 日54摘 要 单向节流阀是流体传动与控制技术中重要的基础元件，节流阀内部的流场特性直接影响节流阀的性能。本文结合计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)软件FLUENT对节流阀的内部流场进行了数值模拟与分析计算。 本文按照实际使用中的节流阀的参数，采用Solid Works软件，建立了阀的三维几何
2、模型。运用FLUENT前处理软件GAMBIT了网格的划分。在FLUENT软件中对两种模型的流场进行了稳态数值模拟。在主阀阀芯的性状不同、边界条件相同和节流口开口宽度不同、边界条件相同时对流场进行模拟，找出影响阀芯压力和速度分布的因素。在对主阀口进行模拟时，分别对比不同开口宽度时的沿程压力分布情况，进而选择出最适合此处的主阀阀芯性状和开口宽度。对阻尼小孔进行数值模拟时，重点考虑节流阀开口处两端的压力差，找到两端压力差小的阻尼孔直径数值。关键词:单向节流阀，内部流场，数值模拟ABSTRACTUnidirectional Throttle Valve is a fluid transmission
3、and control technology based on the most important components, valve relief valve within the flow field characteristics of a direct impact on the performance of valves. In this paper, computational fluid dynamics CFD (Computational Fluid Dynamics) software FLUENT for Pilot-operated relief valve of t
4、he flow field calculation and analysis of numerical simulation.In this paper, according to the actual use of the Pilot-operated relief valve of the parameters, the use of Solid Works software, the establishment of a Pilot-operated relief valve of the three-dimensional geometric model. FLUENT softwar
5、e, the use of pre-treatment works GAMBIT division of the grid. FLUENT software in two models of the flow field of the numerical simulation of steady-state.Spool valve in the main traits of the different boundary conditions and damping the same hole diameter is different from the same boundary condit
6、ions to simulate the flow field to identify the impact of pressure and velocity distribution spool factors. Main valve port in the simulation, the main valve, respectively, compared to the structure of spherical cone valve cone peaceful side of the valve structure of the distribution of pressure alo
7、ng the way, and then select the most appropriate here traits of the main valve spool. Damping holes on the numerical simulation, the focus on small damping of the pressure difference at both ends to find the pressure difference at both ends of the small diameter of the damping value.KEY WORDS: Unidi
8、rectional Throttle Valve, the flow field, numerical simulation目 录目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 节流阀的用途21.3 单向节流阀31.3.1 节流口堵塞原因41.3.2 减轻节流口堵塞的措施41.3.3 单向流阀的特点41.4 节流阀的历史研究成果61.5 国内外利用CFD软件对液压阀的研究状况71.6 单向节流阀的未来发展81.7 选题的目的和意义91.8 本文的研究内容101.9 本章小结11第二章 单向节流阀的设计122.1 单向节流阀的结构和工作原理:122.2 单向节流阀所面临的技术挑战：132.3 解决措施
9、及设计142.3.1 气蚀问题的解决措施142.3.2 泄漏、拉丝侵蚀问题的解决措施152.3.3 振动、噪声和工作稳定性问题的解决措施162.4 本章设计结果172.5 本章小结17第三章 单向节流阀的建模183.1 三维建模 Solid works简介183.1.1 Solid Works软件基本内容：183.1.2 Solid Works软件的特点：193.2 单向节流阀流道建模203.2.1单向节流阀的内部型腔流道模型203.2.2单向节流阀内部阀芯简化实体模型213.3 本章小结21第四章 单向节流阀的模拟仿真224.1 计算流体力学的特点224.2 Fluent软件简介234.2.
10、1 Fluent 程序的结构244.2.2 Fluent程序可以求解的问题254.3 单向节流阀的模拟仿真基础知识254.3.1模拟仿真主要数值方法254.4 模型的仿真294.4.1单向节流阀主流道的网格划分及流体分析294.4.2单向节流阀节流口开口宽度为4mm时的流道分析31第五章 总结与展望36参考文献37致谢40附录一：英文科技文献翻译41附录二：毕业设计任务书46第一章 绪论1.1 引言： 社会的发展，要求人类赖以生存的环境是一个安全、无污染、高度文明的、美好的环境。因此要求科学技术向安全化、生态化、艺术化、环境系统优化的目标发展。自帕斯卡定理发明几百年来，由于液压具有防锈，润滑性
11、好，粘度大的优点，得以广泛的应用。人类利用矿物油作为液压系统的工作介质，创造了一代又一代的由液压油传动与控制的各类主机系统，为社会生产力的发展做出了巨大的贡献。但是，液压系统的安全问题也随之凸显出来。液压系统中节流阀是重要的液压元件，它能调节液压系统的工作流量并保证整个液压执行元件的安全。由于在实际工作中，泵提供的流量往往要大于工作流量，对有节流阀的系统来说，节流阀就必须控制流入或流场执行元件的流量从而控制元件的速度，由于节流口而造成较大的压力损失。本课题就是从改善和优化节流阀的内部流道着手，通过流场数值分析手段，降低液压系统的局部压力损失，进而得到更合理的内部流道。本课题目的是利用所学的流体
12、力学、液压和控制知识为优化节流阀内部流场做理论研究。本设计的主要内容分为：原理部分、三维实体建模部分及流场分析部分。1.2节流阀的用途：图1-1单向节流阀 节流阀是重要的液压元件，其主要是用来改变相关阀口的流通面积，从而调节液压系统的工作流量并保证整个液压执行元件的安全。 节流阀主要用于油田钻井、油井测试、固井等高压管路中，通过调节节流阀阀杆来改变节流孔面积，以达到调节管路压力和流量的目的。1. 对节流阀的性能要求：流量调节范围大，流量一一压差变化平滑；内泄露量小，若有外泄露油口，外泄露量也要小；调节力矩小，动作敏捷。2. 节流阀的分类及工作原理 节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流
13、量的阀。将节流阀和单向阀并联则可组成单向节流阀。节流阀和单向节流阀是简易的流量控制阀。在定量泵液压系统中，节流阀和溢流阀配合，可组成三种节流调速系统，即进油路节流调速系统、回油路节流调速系统和旁路节流调速系统。节流阀没有流量负反馈功能，不能补偿由于负载变化所造成的速度不稳定，一般仅仅用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合。按照其功用，具有节流功能的阀有节流阀、单向节流阀、精密节流阀、节流截止阀和单向节流截止阀等；按节流口的结构形式，节流阀有针式、沉割槽式、偏心槽式、锥阀式、三角槽式、薄刃式等多种；按其调节功能，又可将节流阀分为简式和可调式两种。1.3单向节流阀：单向节流阀根据油液流动方向
14、的不同，既可以作为单向阀使用，又可以做节流阀使用，其主要有调节杆、止推、阀体、阀芯和弹簧组成，节流道呈轴向三角槽式。但有些时候，为了节流阀内部流场分析的必要，可以将其内部节流口及节流流道进行简化简化建模，以便于分析计算。1.3.1 节流口堵塞原因（1）油液中的机械杂质或因氧化析出的胶质、沥青、碳渣等污染物等堆积在节流缝隙处；（2）由于油液老化或受到挤压后产生带电的极化分子，而节流缝隙的金属表面上存在电位差，故极化分子被吸附到缝隙表面，形成牢固的边界吸附层，吸附层厚度一般为5-8微米，因而影响了节流缝隙的大小。以上堆积、吸附物堆积到一定厚度时，会被液流冲刷掉，随后又重新吸附到阀口上。这样周而复始
15、，就形成了流量的脉动；（3）阀口压力差较大时，因阀口温度高，液体受挤压的程度增强，金属表面也更容易收摩擦作用而形成电位差，因此压差大时容易产生堵塞现象。1.3.2 减轻节流口堵塞的措施（1）选择水力半径大的薄刃节流口；（2）精密过滤并定期更换油液；（3）适当减小节流口前后的压力差；采用电位差较小的金属材料，选用抗氧化稳定性较好的油液，减小节流口表面粗糙度。1.3.3单向节流阀的特点（1）构造比较简单，便于制造和维修，成本低；（2）调节精度不高，不能作调节使用；（3）密封面易冲蚀，不能作切断介质用；（4）密封性较差。节流阀按通道方式可分为直通式和角式两种；按启闭件的形状分，有针形、沟形和窗形三种
16、。节流阀的安装与维护应注意以下事项：该阀经常需要操作，因此应该安装在易于方便面操作的位置上；安装时要注意介质方向与阀体所标箭头方向保持一致。为了保证流量稳定、节流口的形式易薄壁小孔较为理想。以下为几种常用的节流口的形式：针阀式节流口，它通道长，湿周大，易堵塞，流量受油温影响较大。一般用于对性能要求不高的场合。偏心槽式节流口，其性能与针式节流口相同，但容易制造，其缺点是阀芯上的径向力不平衡，旋转阀芯时较为费劲，一般用于压力较低、流量较大和流量稳定性要求不高的场合。轴向三角槽式节流口，其结构简单，水力直径中等，可得到较小的稳定流量，且调节范围较大，但节流通道有一定长度，油温变化对流量有一定影响，目
17、前被广泛应用。周向缝隙式节流口，沿阀芯周向开有一条宽度不等的狭槽，转动阀芯就可以控制开口的大小。阀口做成薄刃形，通道短，水力直径大，不易堵塞，油温对流量影响小，因此其性能接近于薄壁小孔，适用于低压小流量的场合。轴向缝隙式节流口，在阀孔的衬套上加工出图示薄壁阀口，阀芯作轴向移动即可改变开口的大小。在液压传动系统中，节流元件与溢流阀并联于液压泵的出口，构成恒压油源，使得泵出口的压力恒定。节流阀和溢流阀相当于两个并联的液阻，液压泵输出流量不变，流经节流阀进入液压缸的流量和流经溢流阀的流量的大小，由节流阀和溢流阀的液阻相对大小来决定。节流阀式一种可以在较大范围内以改变液阻来调节流量的元件。因此可以通过
18、调节节流阀的液阻，来改变进入液压缸的流量，从而调节液压缸的运动速度；但若在回路中仅有节流阀而没有溢流阀与之并联的话，则节流阀就起不到调节流量的作用。液压泵输出的液压油全部经节流阀进入液压缸。改变节流阀节流口的大小，只是改变液流流经节流阀的压力降。节流口小，流速快；节流口大，流速慢，而总的流量是不变的，因此液压缸的运动速度不变。所以，节流元件用来调节流量是有条件的，即要求有一个接受节流元件压力信号的环节（与之并联的溢流阀或恒压变量泵）。通过这一环节来补偿节流元件的流量变化。节流阀的刚性表示它抵抗负载变化的干扰，保持流量稳定的能力，即当节流阀开口量不变时，由于阀前后压力差的变化，引起通过节流阀的流
19、量发生变化的情况。流量变化越大，节流阀的刚性越大；反之，其刚性越小。1.3.4节流阀的压力和温度补偿普通节流阀由于刚性差，在节流开口一定的条件下通过它的工作流量受工作负载（亦即其出口压力）变化的影响，不能保持执行元件运动速度的稳定，因此只适用于工作负载变化不大和速度稳定性要求不高的场合，由于负载的变化很难避免，为了改善调速系统的性能，通常是对节流阀进行压力补偿，即采取措施使节流阀前后压力差在负载变化时始终保持不变。节流阀的压力补偿有两种方式：一种是将定差减压阀与节流阀串联起来，组合成调速阀；另一种是将稳压溢流阀并联起来，组成溢流节流阀。这两种压力补偿方式是利用流量变动所引起油路压力的变化，通过
20、阀芯的负反馈动作，来自动调节节流部分的压力差，使其保持不变。液压传动系统对节流阀的主要要求有：1）有较大的流量调节范围，且流量调节要均匀；2）当阀前、后压力差发生变化时，通过阀的流量变化要小，一保证负载运动的稳定；3）油温变化对通过阀的流量影响要小；4）油液通过安全阀时的压力损失要小；5）当阀口关闭时阀的泄露量要小。1.4 单向节流阀的历史研究成果及应用对单向节流阀的研究内容，主要包括理论研究，实验研究和数字仿真。国内外从六十年代初开始对单向节流阀进行研究。经历了定性和定量研究阶段。单向节流阀广泛应用于液压控制系统的调速和延时回路中，其既可以作为单向阀使用，又可以作节流阀使用。稳态液动力是影响
21、单向节流阀性能的关键因素之一，不仅决定换向阻力，同时也影响单向节流阀的精确控制。节流阀主要用于油田钻井、油田测试、固井等高压管路中，通过调节节流阀阀杆来改变节流孔面积，以达到调节管路中压力和流量的目的。因此，它的性能好坏直接影响到油田节流作业时的人身安全和工作效率。研究成果对高压节流阀的失效进行了分析，指出了单向节流阀的各种失效形式，并随着CAD/CAE技术的发展，尤其是计算流体动力学技术的发展，对节流阀进行流场数值模拟成了目前对节流阀进行优化设计的重要手段。节流部位出现的气穴是液压控制元件中最重要的噪声源头，目前对以油为介质的液压元件及系统中的流场及气穴现象的深入研究还很少。液压元件内流道形
22、体复杂、尺寸小、压差大、阀口流速高，使得从气泡微观层面上研究液压元件中的气穴现象非常困难。目前，研究人员用湍流模型对液压阀口高速流场的速度和压力分布进行了仿真，结果得到了实验的验证。同时对阀腔内压力分布，气穴与噪声的关系进行了研究。发现阀口压力最低区出现在节流边附近，由于流束转折和流体脱离而产生。背压对阀腔内压力分布有着直接的影响，同时决定了腔内气泡形态与噪声声级的大小。因此在实际运用的液压阀中，可通过检测阀内流体压力的方法预测气穴可能发生的区域。另外，在阀内流道设计时，可通过结构与参数的优化，缩小低压区，以控制气穴的初生与发展。此项研究对节流阀结构设计及系统内气穴噪声的预防都有着重要的参考价
23、值。 1.5国内外利用CFD软件对液压阀的研究状况针对一般的液压阀类元件内部流场所作的数值模拟与仿真研究，国内外学者对液压阀的内部流场及特性己经进行了大量的研究工作，对进一步发展和完善液压阀的性能等提供了有力的理论基础。 Shigeru OSHIMA;Timo LEINO等对水用锥阀与油用锥阀在各个特性上进行了比较分析，详细地给出了不同压差下节流口处的压力变化、流量系数和质量流率的变化曲线图，以及阀芯上的压力分布图，这对理论研究和数值模拟都是一个很好的参考。 M.Borghi, Milani文中使用CFD软件FIDAP7. 07分析了安全阀在固定开口度为0.4, 0.7, 1.0, 1.2mm
24、时的压力分布图、速度分布图和流量、压力与压差的曲线图。通过阀芯表面上的压力积分计算了阀的稳态液动力，根据公式估计了瞬态液动力和稳态液动力两者的比例。 Yoshinari NAKAMURA等通过实验的方法对锥阀的静态特性和动态特性进行了详尽的研究;M.Kipping用三种不同介质对液压滑阀的内部流场分别作了实验和数值分析;M.Dietze用不同的二维和三维模型对液压阀在不同的锥角下进行了数值模拟，并与实验结果基本吻合。 Priyatosh Barman对三维的滑阀模型进行了仿真研究。指出滑阀在流量很大，压差很大时，阀内部的流动区域可能形成汽化，当气泡破裂时对阀体和阀芯表面形成气蚀。使用STRA-
25、CD流场仿真软件进行了两相流动的仿真。文中给出阀内流场的压力分布，速度分布和气体体积分布图。这对优化滑阀的阀腔结构，阻止气蚀现象的发生有一定的指导意义。 西南交通大学的王国志等运用三维流体分析软件对水压滑阀的流动状态以及阀芯受力情况进行了数值计算，对可视化的图形图像和计算结果进行了分析研究。通过数值计算和可视化研究可以较容易获得在理论上很难计算的滑阀阀芯所受的液动力。仿真计算所得的可视化结果与理论数据基本吻合，其结果为水压滑阀的设计提供了依据。燕山大学的高殿荣首次将有限元方法应用于液压技术中各种异形断面流道，并对液压集成块内部的复杂流道、滑阀和锥阀流场进行了数值模拟，还从流体力学的连续性方程和
26、Navier-stokes方程出发，并根据流函数和涡量与流速之间的关系式，推导出了以流函数和涡量w为变量的N-S方程的变形公式，并对其进行无量纲化。 浙江大学的王林翔采用湍流模型的k-两方程模型和有限容积法，对滑阀阀道内的流体流动进行了数值分析。 北京化工大学的沈晶，阐述了水锤现象产生的原因，通过对阀芯结构的改进减小水锤对液压阀寿命的影响。 浙江大学的冀宏，利用理论分析、流场仿真、压力分布测量等方式相结合，发现通过等截面段形成二级节流或采取大楔形角可以有效的消除气穴和噪声。 太原理工大学的王芳，采用AutoCAD和UG软件，按照先导阀的实际结构和参数，结合计算数学模型的可行性，分别建立了阀的二
27、维和三维几何模型。运用FLUENT前处理软件GAMBIT进行了网格的划分。在FLUENT软件中对两种模型的流场进行了稳态数值模拟。1.6 单向节流阀的未来发展目前，液压系统和元件的设计，分析方法是基于一种半经验的方法，一些理论公式经多方简化，已难以解释和处理某些实际问题，对节流阀的开发和深入研究也存在着许多问题。在理论分析中，很多内外界因素都未加以考虑，很多因素在不断影响着液压控制元件，也在不断困扰着研究人员对液压控制元件的理论分析与研究。例如，压差对节流阀的流量的影响、温度对节流阀的流量的影响、节流阀节流口的堵塞、节流阀节流口的空穴现象以及节流阀的阀口漏油现象和节流阀的内部结构改进等问题。因
28、此，先进的科学技术对以上技术问题进行了研究和攻克。随着计算机科学技术的迅速发展，研究人员逐渐开发了一系列的流体分析软件，应用CFD方法，采用Fluent流体软件及ANSYS有限元分析软件，对单向节流阀进行了结构应力及压差流量等各方面模拟分析，对实际上液压元件的运行进行了精确的计算分析，掌握了很多液压元件的运行仿真与优化设计和结构改进等资料。因此，各种更先进的、更节能的、更优化的液压控制元件业相继问世，给现代的工业发展提供了更好的动力。随着高压，高速，大流量和高效率液压系统发展的需要，对节能型、低噪声和环保型节流阀的研究也日益增多，不仅从各方面对节流阀进行技术上的改进，也从环保角度对液压控制元件
29、的质量提升有积极的促进作用，并且逐步取得了实质性的突破。1.7选题的目的和意义 20世纪是流体传动与控制技术逐步走向成熟的时代。随着现代科学技术的飞速发展，它不仅可以充当一种传动方式，而且可以作为一种控制手段，充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，成为现代控制工程中不可缺少的重要技术手段。能量转换、动力传动以及传动控制依然是21世纪全球经济的重要组成部分，流体传动与控制技术也依然是其中极为重要和积极的角色。 液压阀对流体的控制是通过内部流体的流动来实现对执行元件动作的控制，是以流体在阀中流功的运动学和动力学规律为基础的，所以应当深入研究阀内流体的流动状况以及流体与阀的固体部件之间
30、的动力学联系，以提高阀的性能。近年来随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展，应用CFD方法，对液压阀内部的流场进行仿真计算和可视化分析，成为液压技术领域新的研究热点，研究工作对阀的结构参数设计和流道的优化没计具有重要的实际意义。当液流流经液压阀的阀腔和阀口时，由于液流速度发生变化，将有液动力作用在阀芯上。液压控制阀的操纵力必须能够克服阀的各种阻力，它包括惯性力、摩擦力、弹簧力和液体动力等，其中液动力所占的比例最大。液动力不仅会影响阀的操纵力，而且还可能引起阀的自激振动，影响整个系统的稳定性和可靠性，它是设计、分析液压控制阀及液压系统的重要因素之一。采用各种流场数值计算方法，对阀的流道内流场进
31、行数值计算来准确计算液动力是最近几年阀液动力研究的热门课题，它可以用于改进阀的过流结构，对进行阀的液动力的补偿提供理论依据。 目前对三维模型的研究也只是对阀芯在固定开口度状态时的流场特性进行仿真，对阀芯在运动过程中阀内部流场的规律、特点的理论分析还很少。液动力是设计、分析液压控制阀的重要因素之一，在国内外的研究中，大都是关于稳态液动力的机理研究和理论计算公式的推导，对稳态液动力也提出了很多有效的补偿措施。对于阀瞬态液动力的研究工作较少，而且未见统一的理论计算公式。本论文主要研究高水基节流阀的流场特性。应用流场数值模拟及可视化方法进行分析，要研究清楚节流阀流场的流动特性和力特性及其影响因素，确定
32、出该阀所受稳态液动力的大小，漩涡和脱流附壁现象产生的区域，找出阀结构中的薄弱环节，以分析阀的性能，并为此类节流阀的优化设计提供可靠的理论依据。这对于降低实验研究费用，缩短前期研发周期，加快高水基技术发展的进程，对于提高阀的使用寿命和工作性能，提高阀的通流能力，减小泄漏和压力损失，改善加工工艺设计，解决节流阀存在的一些主要问题等都有一定的指导意义;对于保证整个使用高水基介质传动的液压支架电液控制系统和煤矿安全而高效地生产都具有十分重要的现实意义。1.8本文的研究内容对液压元件内部流场进行数值模拟，本课题中使用CFD软件来进行仿真研究。根据所研究的侧重点，确定研究对象的初始状态。SolidWork
33、s 确定参数特征，即具体尺寸。参数化建模，可方便地修改机构参数，如开口度变化，流道性状， 阀结构等变化，建模简单，快捷。Gambit可从CAD/CAE系统中直接读入数据，具有灵活方便的几何修正功能和功能强大的网格划分工具。Fluent对导入的网格进行仿真分析。用户可根据自己的特殊需要编制 自己的UDF，定制特殊的边界条件、实 现动网格等。可采用自适应网格根据流场的特性局部细化网格。本次设计的主要内容有：1、单向节流阀的结构设计；2、单向节流阀的流道分析；3、流道流场模拟分析；4、单向节流阀的三维建模图；5、毕业论文一篇。1.9本章小结本章主要介绍了课题研究的背景和意义，分析了当前单向节流阀的主
34、要方向，给出了单向节流阀所面临的主要技术难题并提出了基本的解决方案，确定了本课题的主要工作和采取的技术路线。本章对节流阀的结构、特点、应用和发展方向等进行了侧重分析，并提出了现代科学技术，尤其是计算机科学技术及流体分析软件的开发和应用，对单向节流阀的各方面技术等的改进起着至关重要的作用。同时，在现代先进的科学技术支持下，我们也对单向节流阀的发展提出了各种良好期望与憧憬。第二章 单向节流阀的设计2.1单向节流阀的结构和工作原理:单向节流阀根据油液流动方向的不同，既可以作单向阀使用，又可以作节流阀使用，其结构如下图所示，主要由调节杆、止推、阀体、阀芯和弹簧组成，节流通道呈轴向三角槽式。单向节流阀的
35、工作原理如下：图2-1 单向节流阀的结构原理图假设外界（液压泵或者液压阀）输出的液压油从通口Pj1流入，产生的油压力作用在阀芯左端面，克服复位弹簧作用在阀芯上的阻力，推动阀芯向右移动，打开节流阀阀口，油液通过径向孔从通口Pj2流出。油液从通口Pj1流到通口Pj2的过程中，油液不节流，可以自由流通，此时单向节流阀主要起单向阀作用。假设外界（液压泵或者液压阀）输出的油液从通口Pj2流入节流阀，需要手动调节调节杆，以克服弹簧作用在阀芯上的阻力，使阀芯作轴向移动，打开阀口。此时，油液经过阀芯上的三角槽和孔道，从通道口Pj1流出。通过改变节流口三角槽的通流面积，以改变液阻，来控制通过节流阀的流量，实现微
36、量调节。油液从通口Pj2流到通口Pj1的过程中，油液要节流，不可以自由通流，此时，单向节流阀主要起到节流阀的作用。2.2 单向节流阀研究所面临的技术挑战：1. 腐蚀和腐蚀磨损问题由于介质有较强的腐蚀性，因此节流阀所用材料应具有较强的耐腐蚀性能。对于中间主阀口、节流阀口及主阀导向面处，腐蚀与磨损同时存在，两者相互促进，将使零件加速失效。显然，单向节流阀的材料难以满足腐蚀及腐蚀磨损的要求。 2. 气蚀问题 当液流流经节流口的喉部位置时，根据伯努利方程，该处的压力要降低。如压力低于液压油工作温度下的空气分离压，溶解在油液中的空气将迅速地大量分离出来，变成气泡。这些气泡随着液流流到下游压力较高的部位处
37、时，会因承受不了高压而破灭，产生局部的液压冲击，发出噪声而引起振动，当附着在金属表面上的气泡破灭时，它所产生的局部高温和高压会使金属剥落，使表面粗糙，或出现海绵状的小洞穴，节流口下游部位可发现这种腐蚀的痕迹，这种现象称为气蚀。单向节流阀随着工作介质的不同，气蚀分为气体气蚀和汽化气蚀两种。由于液压油的汽化压力很低，同时空气在液压油中的溶解度较高，所以油压阀的气蚀主要表现为气体气蚀。相同条件下空气在水中的溶解度约为液压油的2O倍，而水的汽化压力(50 时12kPa)比液压油(50时1.OmPa)高1O倍，因此水压控制阀中起主导作用的是汽化气蚀。水压阀与油压阀气蚀本质的不同，决定了其危害性比油压阀的
38、气蚀严重。当阀的工作压力较高时，主阀口和先导阀口将在较大的压差下工作，使阀口流速很高，极易发生汽化气蚀。3. 拉丝侵蚀和泄漏问题在单向节流阀中，高速流体会对配合面产生很强的冲刷作用，久而久之会在零件表面形成一条条丝状凹槽，这种现象称为拉丝侵蚀。当高速流体中携带污染颗粒时，其破坏作用大大加剧。主阀口、节流阀口及主阀芯导向面处都是易产生泄漏和拉丝侵蚀的部位。4. 振动、噪声和工作稳定性问题由于介质的压力冲击，在单向节流阀中易产生水锤现象。噪声会给工作环境带来噪声污染；振动会引起节流阀表面损伤，并导致节流阀的静态性能下降、控制压力失调等后果，反过来又加剧了振动和噪声。因此节流阀的振动、噪声对单向节流
39、阀的工作性能、可靠性和使用寿命都有很大影响。2.3 解决措施及设计针对单向节流阀的上述关键技术难题，设计了下面的解决方法。 2.3.1 气蚀问题的解决措施节流阀气穴发生的程度可用气穴系数表示 。越大，气穴现象越严重。 的表达式为 （2-1）式中，为节流阀入口压力；为节流阀出口压力；为饱和蒸汽压。为减小气穴的发生及其危害，应尽量使 小。由式(1)可知，要减小d，只有降低入口压力或提高出口压力值。这种方法的实际应用就是把单节流阀口设计成两级节流阀口的形式，则每级阀口的气蚀系数分别 （2-2） （2-3）式中，为两节流阀口间的压力。与单级阀口的气穴系数相比， 、分别因出口压力提高和入口压力降低而减小
40、。较典型的例子是日本设计的两级：平板式节流阀口的形式和芬兰采用的两级锥阀式节流阀口(如图2-1)。 图2-2 两级锥阀式节流阀口在本次设计中，单向节流阀在解决气蚀问题方面，主要采取了以下措施： 在液压系统中的任何地方，只要压力低于空气分离压，就会发生空穴现象。为了防止空穴现象的发生，就是要防止液压系统中的压力过度降低。具体措施有以下：（1）理设计阀口的形状和结构参数阀芯与阀座的形状和结构参数与气蚀有密切关系。为减弱气蚀，单向节流阀阀口在结构上主要有以下特点： 主阀芯采用带圆弧的平端锥阀结构。相对于圆锥形和球形锥阀结构，平端锥阀(截去圆锥)的抗气蚀性能较强。 主阀的锥角较小，并且阀芯锥角大于阀座
41、锥角。对外流式锥阀，当锥角较小时，由于流体收缩小，出口压力较高，因而不易出现气穴现象。由于压力最低处一般位于收缩部位附近，此处流速很高，当阀芯锥角小于阀座锥角时，气穴发生在阀口处，反之，则发生在阀口下游。实验研究表明，当阀芯锥角小于阀座锥角时，阀口较容易出现气穴和流量饱和现象。 主阀口采用阶梯状两级节流口结构(如图2-2)。实验研究表明，该结构在小开度时每级阀口都承担了压差，因而可减小气蚀。图2-3 两级节流主阀口（2）选择硬度高的材料 提高材料硬度不仅可大大增强材料的抗气蚀性能，而且有利于提高材料的抗流体侵蚀能力。一般而言，阀心受到的气蚀破坏比阀座严重，因而在选择阀心与阀座的材料时，阀心材料
42、通常比阀座的硬度高。鉴于奥氏体不锈钢不能通过热处理提高硬度，阀心材料可采用热处理强化的沉淀硬化不锈钢或者采用工程陶瓷，或采用马氏体不锈钢；阀座可采用铜基合金，以增加零件的机械强度，提高零件的表面加工质量等。2.3.2 泄漏、拉丝侵蚀问题的解决措施本次设计在结构上采取了以下措施：(1) 在主阀心 与主阀套之间加组合密封件增加密封件后,主阀心上的摩擦力增加,对阀的静态性能稍有影响,但可减小泄漏,并防止拉丝侵蚀的破坏。值得指出的是,主阀心与主阀套间若泄漏过大,则节流阀对主阀的控制作用减弱,将使阀的静态性能大大降低。(2) 阀口处选择合适硬度的材料配对 材料的硬度越高,抗拉丝侵蚀的能力越强。因此,一方
43、面,尽可能提高阀心硬度,并使阀心与阀座的硬度差不低于HRC15；另一方面,设计时使阀口所受比压在密封必须的比压与材料的许用比压之间。2.3.3振动、噪声和工作稳定性问题的解决措施关于节流阀噪声产生的原因,许多学者已进行了相应的分析和研究。归纳而言，节流阀产生振动和噪声的原因主要有以下几个方面：(1) 节流阀阀开启时,由于稳态液动力的侧向分力不平衡产生振动,其主要原因有： 阀座孔不圆度误差，使节流阀心与阀座接触不良，周向通流面积不一致，引起阀心偏振； 弹簧加工时端面不平，或弹簧与弹簧座装配间隙设计不当，使弹簧力偏离阀心中心线，导致阀心偏振。(2) 气穴现象 当发生气穴现象时，气泡的破裂会产生高频
44、噪声；另一方面，气泡破裂产生的冲击波会导致阀心振摆。(3) 自激振荡噪声 节流阀是一个弹簧一质量系统，当阻尼小时，由于自激振荡发出高频颤振声。(4) 通过阀口的高速液流与周围液体之间产生剪切流、涡流而发出噪声。(5) 主阀导向面处泄漏过大，节流阀口节流不足，使节流阀阀芯发生振荡。针对油压节流阀的振动、噪声和工作稳定性问题，相关文献提出了多种解决措施，如减小锥阀半锥角、减小锥阀前腔体积、节流阀前腔加消振垫或消振塞等，但这些措施对于节流阀并不能从根本上解决问题。本文在节流阀部分设计了一种新型的结构，即在节流阀芯尾部设置了阻尼开口宽度。一方面，节流阀芯与节流阀体的导向配合面可减小节流阀芯因受不平衡径
45、向力引起的偏振；另一方面，节流阀心运动时，阻尼开口内的压力变化使阀心的运动阻尼增加，从而提高单向节流阀的工作稳定性。2.4 本章设计结果图示就是在前人努力的基础上进行优化而得到的简化模型图：图2-4 单向节流阀的内部流道简化模型图2.5 本章小结本文分析了单向节流阀的关键技术难题，并从材料和结构两个方面着手解决。在结构上主要采用了在节流阀入口设置固定节流孔和二级节流主阀口以减小气蚀；阀心上加组合密封件减小泄漏和拉丝侵蚀；节流阀芯尾端设置阻尼腔以抑制振动、噪声，提高节流阀的工作稳定性等措施。第三章 单向节流阀的建模3.1三维建模 Solid works简介Solid Works 一套机械设计自动
46、化软件，它采用了大家所熟悉的 Microsoft Windows 图形用户界面。使用这套简单易学的工具，机械设计工程师能快速地按照其设计思想绘制出草图，尝试运用特征与尺寸，及制作模型和详细的工程图。3.1.1 Solid Works软件基本内容：（1）Solid Works 模型由零件、装配体和工程图组成。（2）通常，您从绘制草图开始，然后生成基体特征，并在模型上添加更多的特征。（您还可以从输入的曲面或几何实体开始。） （3）您可以随意添加特征、更改特征以及将特征重新排序，进一步完善您的设计。 （4）由于零件、装配体及工程图的相关性，所以当其中一个视图改变时，其它两个视图也自动相应改变。（5）您随时可在设计过程中生成工程图或装配体。 （6） Solid Works 应用程序允许您自定义功能以满足需要。